background image

 

 

 

Adam Paweł Zaborski 

Project “The development of the didactic potential of Cracow University of Technology in the range of 

modern construction” is co-financed by the European Union within the confines of the European Social Fund 

and realized under surveillance of Ministry of Science and Higher Education. 

9. Simple frames 

Introduction 

Definitions 

node – a rigid joint of the bars 
simple node – a node joining two perpendicular bars 
complex node – a node which is not simple 
frame – a system of straight bars joined at (rigid) nodes 
simple frame – a frame composed of few straight bars 

Simple frames solution 

The cross-section forces of simple frames can be determined by solving each bar separately. Next, 
collected diagrams of the cross-section forces should be verified by checking the balance of each complex 
node. The node balance means that all cross-section forces determined at the node form a zero force 
system. 
Cutting out the node we draw the acting cross-section forces on the basis of the diagrams: the bending 
moments are drawn on the tensioned side and the axial and shear forces follow the sign convention. 
Because the dimensions of the cut out node (and thus the forces’ levers) are zero, instead of checking 
equilibrium equations for the cross-section forces together, we can check the moments’ equilibrium and the 
forces’ equilibrium separately.  

Example 

 

Fig. 9.1 Simple frame 

background image

 

 

 

Adam Paweł Zaborski 

Project “The development of the didactic potential of Cracow University of Technology in the range of 

modern construction” is co-financed by the European Union within the confines of the European Social Fund 

and realized under surveillance of Ministry of Science and Higher Education. 

Solution: 
Constraints reactions: 

4

.

126

7

3

50

5

.

3

7

30

0

=

+

=

=

A

B

R

M

kN 

6

.

133

7

4

50

5

.

3

7

30

0

=

+

=

=

B

A

R

M

kN 

0

=

B

H

 

We calculate the bars starting from their ends opposite to the node. 
a) horizontal beam from the left 

4

.

6

120

4

.

126

)

4

(

,

4

.

126

)

0

(

,

30

4

.

126

)

(

=

=

=

=

Q

Q

x

x

Q

 (no change of the sign, no moments’ extremum) 

6

.

256

)

4

(

,

0

)

0

(

,

2

30

4

.

126

)

(

2

=

=

=

M

M

x

x

x

M

 

b) cantilever from the right 

135

)

3

(

,

0

)

0

(

,

2

30

)

(

2

=

=

=

M

M

x

x

M

 

90

)

3

(

,

0

)

0

(

,

30

)

(

=

=

=

Q

Q

x

x

Q

 

c) sloped bar 

7

.

400

)

3

(

,

0

)

0

(

,

6

.

133

)

(

=

=

=

M

M

x

x

M

 

{

16

.

80

6

.

0

6

.

133

)

(

cos

=

=

α

x

Q

 

{

9

.

106

8

.

0

6

.

133

)

(

sin

=

=

α

x

N

 

Having done the diagrams of cross-section forces, we check the node static equilibrium: 
a) moments: 

0

7

.

400

135

7

.

265

=

+

, OK 

b) forces: 

0

028

.

0

6

.

0

9

.

106

8

.

0

14

.

80

=

=

X

, OK, 

{

0

004

.

0

8

.

0

9

.

106

6

.

0

14

.

80

90

4

.

6

50

=

+

+

+

=

node

at 

Y

, OK 

Workshop theme 

Determine the cross-section forces of the frame in Fig. 9.2 and verify the node balance. 

P

 

M

q

q

 

Fig. 9.2 Simple frame 

Input data: 
a

 = ……. m       (2÷4 m), b = ……. m       (2÷5 m), c = ……. m        (4÷6 m) 

P

 = ……. kN     (40÷80 kN), M

1

 = ……. kNm    (30÷70 kNm) 

q

1

 = ……. kN/m    (20÷80 kN/m), q

2

 = ……. kN/m    (0.3÷0.7 q

1

background image

 

 

 

Adam Paweł Zaborski 

Project “The development of the didactic potential of Cracow University of Technology in the range of 

modern construction” is co-financed by the European Union within the confines of the European Social Fund 

and realized under surveillance of Ministry of Science and Higher Education. 

Review problems 

 

Fig. 9.3 Frames – review problems 

background image

 

 

 

Adam Paweł Zaborski 

Project “The development of the didactic potential of Cracow University of Technology in the range of 

modern construction” is co-financed by the European Union within the confines of the European Social Fund 

and realized under surveillance of Ministry of Science and Higher Education. 

Addendum 

Hints 

Tip: The node balance checking is the final verification of cross-section forces diagrams. Therefore, the 
checking should be based on the diagrams and not the earlier results. 

Glossary 

node – węzeł 
simple node – węzeł prosty 
complex node – węzeł złożony 
frame – rama 
node balance – równowaga węzła 
spandrel (beam) – rygiel 
column – słup